Śledztwo i proces W lipcu 1959 roku Centrala Badania Zbrodni Narodowosocjalistycznych w Ludwigsburgu wszczęła śledztwo w sprawie zbrodni popełnionych w Sobiborze. Nazwisko Frenzla bardzo często pojawiało się w zeznaniach ocalałych więźniów. W konsekwencji 9 marca 1962 roku prokuratura w Dortmundzie wydała nakaz jego aresztowania. Zatrzymanie nastąpiło trzynaście dni później. Podczas przesłuchań Frenzel deklarował żal z powodu „niesprawiedliwości”, która spotykała Żydów w Sobiborze, niemniej konsekwentnie zaprzeczał, aby dopuścił się jakichkolwiek zbrodni. Twierdził nawet, że był lubiany przez żydowskich więźniów.
Akt oskarżenia przeciwko Frenzlowi i jedenastu innym esesmanom został wniesiony w czerwcu 1964 roku. Postawiono mu zarzut zamordowania 42 Żydów i współudziału w zgładzeniu kolejnych 250 tys. Proces załogi Sobiboru toczył się w Hagen w latach 1965–1966. Po samobójczej śmierci Kurta Bolendera Frenzel stał się głównym oskarżonym. Udowodniono mu zamordowanie sześciu osób i współudział w zamordowaniu 150 tys. Jako jedyny z oskarżonych został uznany winnym współsprawstwa w morderstwie i skazany na karę dożywotniego pozbawienia wolności.